中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：2024年10月24日，美國(guó)固態(tài)電池初創(chuàng)公司QuantumScape(簡(jiǎn)稱QS)在最新發(fā)布的第三季度業(yè)務(wù)報(bào)告中，宣布已開(kāi)始小批量生產(chǎn)并交付QSE-5固態(tài)電池B樣產(chǎn)品給車(chē)企客戶測(cè)試，具備超過(guò)840 Wh/L的體積能量密度和301Wh/kg的質(zhì)量能量密度（0.2C），以及 15分鐘從10%充電至80%的快充能力（平均2.8C）。
值得一提的是，作為無(wú)陽(yáng)極固態(tài)鋰金屬電池，QSE-5的工作壓力只有3.4atm, 遠(yuǎn)低于目前主流硫化物固態(tài)電池的工作壓力。那么，QS這次交付的B樣產(chǎn)品在技術(shù)上是否具備里程碑式的突破，其固態(tài)電池在風(fēng)投公司的角度來(lái)看是否值得關(guān)注，本文帶您分析。
一、QSE-5固態(tài)電池技術(shù)突破
本次QS宣布的是QSE-5 B樣產(chǎn)品已經(jīng)開(kāi)始小批量生產(chǎn)并且交付客戶測(cè)試，其技術(shù)核心筆者在此前的文章已經(jīng)分析過(guò)（參考QS股價(jià)暴漲，固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化拐點(diǎn)將至？），性能方面的亮點(diǎn)主要包括高比能，快充，長(zhǎng)循環(huán)以及高安全等。
1. 高比能: 本次QS詳細(xì)紕漏了電池的體積和質(zhì)量能量密度，分別為844Wh/L以及301Wh/kg。跟主流的磷酸鐵鋰LFP電池相比較（400Wh/L以及200Wh/kg）, 這兩個(gè)數(shù)據(jù)貌似很高，但跟高比能的三元相比，卻經(jīng)不起推敲。
尤其是采用高鎳正極和硅碳負(fù)極的46大圓柱電池，在能量密度和快充性能上也都突飛猛進(jìn)。比如正力新能上半年發(fā)布的騏龍電池，其電芯質(zhì)量能量密度來(lái)到了306Wh/kg, 估計(jì)體積能量密度也會(huì)超過(guò)840Wh/L, 而且平均充電倍率也達(dá)到了3C（參考既能千里續(xù)航又能超級(jí)快充的電池終于實(shí)現(xiàn)了）。
此外，大圓柱電芯容量按照4695來(lái)算的話一般都超過(guò)35Ah.本次QS的B樣電池容量只有5.6Ah（21.6Wh/3.84V=5.625Ah），也遠(yuǎn)低于大圓柱電芯的水平，這樣來(lái)看，本次固態(tài)電池在能量密度上還不如成熟的大圓柱電池。
2. 快充性能: 今年5月份QS產(chǎn)品副總裁Will Hudson公布了內(nèi)部測(cè)試的Alpha 2樣件的一些性能進(jìn)展，比能量大約800Wh/L, 在快充能力上，支持4C倍率，25℃下大約12.5min從10-80%SOC，而在45℃下只需要10min。
值得一提的是，Alpha 2電芯原本是6 layer的，而這個(gè)快充測(cè)試的電芯只有1 layer，也就是一層的卡片電池。本次公布的B樣QSE-5電池的快充水平果然是有所下降的，25℃下10-80%充電時(shí)間為15min,平均倍率2.8C左右，低于此前的3.4C. 可見(jiàn)電池容量做高后對(duì)于快充性能還是有影響的。
按照6.2mAh/cm2的正極loading，3C充電的話鋰金屬沉積電流密度高達(dá)18.6mA/cm2, 遠(yuǎn)超常規(guī)鋰金屬電池的臨界電流密度 (大約2mA/cm2)。
目前報(bào)道最高的是另一家美國(guó)初創(chuàng)公司24M，在2024年初通過(guò)優(yōu)化的電解液 EternalyteTM實(shí)現(xiàn)了高達(dá)20mA/cm2的電流密度（參考QS股價(jià)暴漲，固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)化拐點(diǎn)將至？）。
要么是QS也開(kāi)發(fā)出了類(lèi)似的電解液，要么就是在4C快充下這款電池的循環(huán)壽命不佳。當(dāng)然了，通過(guò)施加壓力，使鋰金屬接近液態(tài)也是提高臨界電流密度的一種手段。
3. 循環(huán)性能: 2023年10月25日， QS更新了A0樣品（容量3.6Ah, 參考全固態(tài)電池會(huì)是誰(shuí)的時(shí)代）在整車(chē)客戶測(cè)試的電池?cái)?shù)據(jù)（其實(shí)就是大眾旗下的PowerCo測(cè)試的），按照C/3充電以及C/2放電的測(cè)試條件，100%SOC下循環(huán)1000次容量保持率還有95%，出人意料地好。
這次并沒(méi)有提到B樣的循環(huán)性能，根據(jù)上文分析，除非有重大突破，否則這款電池在快充情況下的循環(huán)壽命不會(huì)太高。
因?yàn)殡m然這款電池是加壓循環(huán)的，但是3.4atm的壓力并不是特別大，不會(huì)將固態(tài)鋰金屬變?yōu)橐簯B(tài)，對(duì)循環(huán)的改善幅度有限。
4. 安全性能: QS在今年6月中旬公布了其鋰金屬固態(tài)電池的安全測(cè)試結(jié)果，采用24層極片設(shè)計(jì)的Prototype Alpha 2電芯。能夠在60℃的初始溫度下通過(guò)針刺、過(guò)充、外短等測(cè)試，并且熱安全的溫度高達(dá)300℃（具體參考大眾汽車(chē)青睞的固態(tài)電池夠安全嗎？）。
不過(guò)5Ah左右的電芯，哪怕是液態(tài)電池（比如目前智能手機(jī)的電池容量就在5Ah左右），也能概率性通過(guò)針刺，過(guò)充等測(cè)試。
熱箱溫度是個(gè)難點(diǎn)，QS電池200℃時(shí)電壓已經(jīng)降到0V, 開(kāi)始有比較嚴(yán)重的鼓脹。不過(guò)其獨(dú)特的外包裝FlexFrame能夠承受高溫，阻礙了氧氣的介入跟內(nèi)部熔融鋰金屬的反應(yīng)，這對(duì)于小電池的安全是十分有效的。
整體而言，隨著QS的固態(tài)電池樣品越來(lái)越接近最終交付的形態(tài)，其性能方面的衰減越來(lái)越明顯。在能量密度和快充方面已經(jīng)遜色于46大圓柱電池，其快充下的循環(huán)壽命也未知。即便是安全有所改善，5Ah的容量還是捉襟見(jiàn)肘，不適合電動(dòng)汽車(chē)上的應(yīng)用。
二、從風(fēng)投角度看固態(tài)電池
上面主要是從技術(shù)角度來(lái)分析QS的固態(tài)電池，恰好兩個(gè)多月前，在一個(gè)美國(guó)社區(qū)的一個(gè)直播上，TDK Ventures的工作人員Katherine He也從風(fēng)投角度介紹了其對(duì)于固態(tài)電池的一些看法，值得我們?nèi)ニ伎肌?
TDK是3C電池龍頭ATL的母公司，最早也持有CATL 寧德時(shí)代15%的股份。2015年受限于補(bǔ)貼政策，為了讓CATL成為純中資企業(yè)，以8900萬(wàn)人民幣的價(jià)格把股份轉(zhuǎn)讓給了寧波聯(lián)創(chuàng)。
可見(jiàn)TDK跟鋰電池產(chǎn)業(yè)淵源深厚，而且今年6月也已經(jīng)開(kāi)發(fā)出能量密度突破1000Wh/L的小型固態(tài)電池（不封裝狀態(tài)，封裝后750Wh/L），所以旗下風(fēng)投公司TDK VENTURE對(duì)固態(tài)電池的看法具備代表性和參考價(jià)值。
在那次直播中，談到固態(tài)電池方向，TDK Venture的Katherine認(rèn)為是一個(gè)“美好的夢(mèng)想”。其最主要的問(wèn)題并不在于性能上的突破，而在于連續(xù)量產(chǎn)時(shí)的制程和優(yōu)率控制。
根據(jù)她從QS內(nèi)部工程師得到的信息，QS宣傳的12層電池是可以制作出來(lái)的，但是代價(jià)非常大，需要涂覆12mile的固態(tài)電解質(zhì)層才能挑選出合適的12片電解質(zhì)層，因?yàn)榇嬖诠虘B(tài)電解質(zhì)膜破裂的問(wèn)題。
按照本次公布的電池尺寸信息，單片電解質(zhì)寬度65mm左右，按照24層電解質(zhì)來(lái)計(jì)算，總寬度為1.56m. 計(jì)算電解質(zhì)的優(yōu)率為81ppm. 這個(gè)數(shù)值簡(jiǎn)直驚呆了下巴。
一般而言，電池制造的缺陷率是ppm級(jí)別的，而QS的固態(tài)電池反其道行之，將制造優(yōu)率干到了ppm級(jí)別。其成本之高基本抹殺掉了在安全層面的優(yōu)勢(shì)，而且也很難放大容量生產(chǎn)。
不僅如此，He還提到，早在QS借殼上市時(shí)，其核心創(chuàng)始團(tuán)隊(duì)Founder Teams的股票就全部拋售了。即便今年以來(lái)QS與VW消息不斷，He對(duì)此也并不認(rèn)可。
此外，TDK Venture跟很多其他固態(tài)電池創(chuàng)業(yè)公司也有接觸，其中有很多在給Tesla送樣，但是He認(rèn)為T(mén)esla并不會(huì)take it serious。
因?yàn)樵诩冸妱?dòng)汽車(chē)中，電池成本的占比在30%甚至更高，拋開(kāi)成本去談性能和安全的提升就是“耍流氓”，只會(huì)是鏡中花，水中月，一個(gè)“美好的夢(mèng)想”罷了。
而且上文中提到過(guò)，目前固態(tài)電池的能量密度和快充能力話不如成熟的46大圓柱電池，Tesla和寶馬等公司針對(duì)大圓柱電池在系統(tǒng)層級(jí)的安全已經(jīng)進(jìn)行了很好的防護(hù)，能夠保證55℃下單電芯失效后沒(méi)有熱擴(kuò)散（NTP=No Thermal Propagation），這樣來(lái)看使用固態(tài)電池的必要性是什么呢？也許大圓柱和全固態(tài)，魚(yú)和熊掌不可兼得，兩者只能取其一吧。
既然大圓柱已經(jīng)風(fēng)生水起，那么為何還要大力發(fā)展固態(tài)電池呢？這是因?yàn)槿虘B(tài)電池本身具備技術(shù)顛覆的潛力。
歐陽(yáng)明高院士在今年1月底中國(guó)全固態(tài)電池產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新平臺(tái)成立大會(huì)上提到，“對(duì)于汽車(chē)技術(shù)而言，1%是很重要的市場(chǎng)份額，所以全固態(tài)電池的市占份額不需要替代到50%，替代1%就已經(jīng)具有突破性意義?！?在液態(tài)電池技術(shù)全面領(lǐng)先的情況下，我們要為下一代電池提前布局，未雨綢繆，避免被其他國(guó)家彎道超車(chē)。
話雖如此，全固態(tài)電池在技術(shù)上的難度非同小可，雖然國(guó)家在大力支持，資本在大力吹捧，媒體也在大力宣傳，但是固態(tài)電池從業(yè)人員卻步履維艱，進(jìn)展緩慢。
因?yàn)楣虘B(tài)電解質(zhì)本身就不太穩(wěn)定，而且固固界面的接觸很難維持，所以對(duì)生產(chǎn)環(huán)境要求很高，而且使用時(shí)要施加很大的壓力（比如幾十兆帕）。
這里面唯一的變量就是在AI的興起下，能夠更快找到一些新的物質(zhì)，帶來(lái)性能上質(zhì)的飛躍：比如清華大學(xué)張強(qiáng)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開(kāi)始利用AI來(lái)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證新型電解液（張老師也是上汽全固態(tài)電池產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)合體成員，參考氧化物全固態(tài)電池靠譜嗎？）。
還有就是制造方面，一定要做到低成本，才能推廣開(kāi)來(lái)。特斯拉CEO馬斯克清潔能源的愿景，也要靠低成本才能推動(dòng)。這也許是特斯拉不會(huì)take 固態(tài)電池 serious的原因之一吧。
況且全固態(tài)電池2026年才逐漸示范，2030才能大面積推廣，而且主要在高端電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域(1%的市場(chǎng)份額即可，不苛求50%的主流市場(chǎng))，不會(huì)影響整體電動(dòng)化的進(jìn)程。消費(fèi)者也不必?fù)?dān)心現(xiàn)有的電池體系會(huì)落后，本質(zhì)上，只要綜合性能夠用，電是不區(qū)分來(lái)源的。
當(dāng)然，對(duì)于那些電池成本占比較低的應(yīng)用場(chǎng)景，固態(tài)電池還是有希望一搏的，比如2022年日本日立造船實(shí)現(xiàn)了世界首次在太空中的全固態(tài)鋰離子電池充放電，采用的電池型號(hào)為AS-LiB（140mAh型）。
TDK的1000Wh/L的小容量固態(tài)電池，可達(dá)1000次循環(huán)，預(yù)計(jì)也將應(yīng)用小型消費(fèi)電子產(chǎn)品。而松下在2023年9月公開(kāi)過(guò)一款全固態(tài)電池也打算率先在無(wú)人機(jī)上應(yīng)用（非常小型的，不是載人的eVTOL）。
小結(jié)：雖然QS的固態(tài)電池產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入B樣階段，并開(kāi)始小批量生產(chǎn)交付用戶，但是其電池放大后，在能量密度和快充能力方面都有所下降，且電解質(zhì)的制造優(yōu)率低至ppm級(jí)別，根本無(wú)法大規(guī)模量產(chǎn)。所以其電池大概率只會(huì)曇花一現(xiàn)，不會(huì)對(duì)目前主流的液態(tài)電池產(chǎn)生重大影響。
即便是半固態(tài)電池，其量產(chǎn)也不容易。搭載固態(tài)電池的智己L6光年版原計(jì)劃10月底裝車(chē)交付，但目前還沒(méi)消息，可能也是制造過(guò)程中遇到了問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)排名前十的動(dòng)力電池企業(yè)，不一定都是研發(fā)最強(qiáng)的，但制造實(shí)力上一定不弱，不然大規(guī)模出貨，如何保證不批量召回呢？在這一點(diǎn)上，QS和上汽清陶要走的路還很長(zhǎng)。
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